基于MIDAS_Civil的桥墩模板设计

收稿日期:2009202220
作者简介:赵青龙(1975—
),男,工程师,主要从事机械设计工作基于M IDA S /Civil 的桥墩模板设计
赵青龙
(中铁十一局集团六公司,湖北襄樊441105)
摘　要:在桥墩模板载荷分析的基础上,采用有限元软件MIDAS/civil 进行桥墩模板的设计,首先介绍了桥墩模板模型建立的方法,并确定模板框格单元大小,分析龙骨梁的间距与截面尺寸,进而建立桥墩模板整体模型以计算其强度和刚度,最终完成桥墩模板的设计。

关键词:MIDAS/Civil ;桥墩;模板;设计
中图分类号:TU755.2　文献标识码:A 文章编号:167223953(2009)0320031204
某桥墩模板基本结构如图1所示,现采用有限元软件M IDAS/civil 来进行分析计算,以确定模板面板区格大小和龙骨梁间距,并进行强度和刚度的校核。

图1　桥墩模板基本结构图
1荷载分析
[1]
计算荷载包括:①新浇筑混凝土对侧面模板的压力;②混凝土振捣时的垂直面冲击荷载4.0kN/m 2;③风荷载(按八级风考虑)。

模板强度计算时,考虑以上三种荷载,而模板刚度计算时仅考虑新浇筑混凝土对侧面模板的压力即可。

1.1新浇混凝土侧压力的计算
新浇混凝土侧压力取式(1)中的较小值:
F =0.22γc t 0β1β2v
1/2
F =γc H
(1)
式中,F 为新浇筑混凝土对模板的侧压力(kPa );γc
为混凝土的重力密度(kN/m 3),取25kN/m 3;t 0为新浇混凝土的初凝时间(h ),取8h ;v 为混凝土浇筑速度(m 3/h ),取2m 3/h ;H 为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m );β1为外加剂影响修正系数,掺具有缓凝作用的外加剂时,取1.2;β2为混凝土坍落度影响修正系数,当坍落度110～150mm 时,取1.15。

采用式(1)计算F =0.22γc t 0β1β2v
1/2
=85.87kPa 。

则线性变化部分(γh 分布)高度h =F/γ=
3.43m 。

即在台帽部分(高度2.95m )混凝土侧压
力按线性分布。

1.2
风荷载计算
风荷载强度计算公式[2]:
W =K 1K 2K 3W 0
(2)
式中,W 为风荷载强度(Pa );K 1为风载体形系数,按长边迎风圆端型截面处理K 1=1.1;K 2为风压高度变化系数,按≤20m 计算取K 2=1.0;K 3为地形地理条件系数,按最不利环境取K 3=1.3;W 0为基本风压(Pa ),取风速v 为17.2～20.7m/s ,则W 0
=
11.6
v 2
=267.8Pa 。

故风荷载施加时最大风载强度W
=
K 1K 2K 3W 0=383Pa 。

2
建模的过程与方法
2.1
建模过程
在桥墩整体模型建立前,首先采用M IDAS/
civil 软件对面板区格尺寸进行优化设计,即采用大
研究
Re search and De sign
与设计
小不同的区格与不同截面的加筋肋(分为横肋与竖肋)进行分析计算,以得到满足强度与刚度要求的面板区格最优结构尺寸;然后结合面板区格的结构尺寸,进一步分析计算龙骨梁的间距与截面尺寸;最后建立桥墩整体模型(分为墩身、墩帽两部分)进行整体结构的强度与刚度分析。

2.2建模方法
模板制造工艺要求:面板与加筋肋、龙骨梁直板部分与加筋肋均为焊接方式,龙骨梁圆端部分与加筋肋采用螺栓固结,中间对拉杆与龙骨梁采用螺栓连接。

在桥墩模板有限元模型中,面板采用板单元,龙骨梁与加筋肋采用梁单元,对拉杆采用杆单元。

根据模板制造工艺要求,建模时加筋肋与面板采用共线方式,加筋肋与龙骨梁采用梁单元共节点方式,以实现其刚性连接;对拉杆采用杆单元与龙骨梁共节点方式,以实现其铰接。

根据M IDAS/civil 的截面定义功能,对模型各部件采用相应的截面形状和尺寸。

3
面板区格和龙骨梁间距的确定
3.1
面板区格的确定
面板区格的计算采用对面板加载的方式,计算模型如图2所示。

边界条件为对板边采用3边固定1边自由的约束方式,荷载按最大侧压力施加。

图2　面板区格计算模型
面板区格选择为500mm ×500mm 时,计算结
果如图3所示。

图3　区格面板变形云图
区格内最大垂直于面板的变形为4mm ,满足
相关要求。

故面板最大区格可采用500mm ×500mm ,竖肋和横肋的最大间距可按500mm 间距布置。

3.2
龙骨梁间距的确定
根据面板区格的大小,确定每条竖肋所承担的荷载最大值为F 竖肋=85.87kPa ×0.5m ×1.2=51.5kN 。

加载时采用面加载的方式,面荷载大小取最大混凝土侧压力,计算模型如图4所示。

图4　龙骨梁计算模型
变形云图如图5所示,可知在竖肋上最大的变
形值为2mm ,为满足刚度1/500的相关要求,所以龙骨梁最大间距可为1000mm 。

按照施工要求,墩身模板按高度分为0.5m 、1m 、2m 和3m 四种。

龙骨梁设置方式可为:在0.5m 、1m 节段中间设置1道;2m 节段设置2道,且距两端各为450mm ;3m 节段设置3道,中间设置1道,两端距端部450mm 各设置1道。

图5　龙骨梁变形云图
4
整体模型计算
4.1
墩身模型计算
接缝处连接法兰为厚14mm 钢板,宽100mm ;竖肋采用[8槽钢;横肋采用10mm 钢板,宽为80mm ;龙骨梁采用双槽钢16b 。

计算模型如图6所示。

4.1.1刚度要求
计算得知模板最大变形值为5mm ;按宽度方向直面部分宽度为3200mm ,依据刚度要求1/500计算,则容许变形值为3200mm/500=6.4mm :故满足刚度要求。

4.1.2强度要求
荷载施加考虑荷载组合侧压力+浇筑冲击力+
图6　
墩身模型图7　墩身面板应力云图
风荷载,墩身面板应力图见图7。

计算可知,在龙骨梁直线段端部最大的轴力95.6kN 、最大的正弯矩20.4kN ・m ,对于龙骨梁端部最大应力值为:
σ=M W +N A =20.4×106
N ・mm 233626mm 3
+95600N 5030mm 2=106MPa ≤[σ]=145M Pa 。

4.2墩帽模型计算
墩帽部分竖肋、横肋、连接法兰及龙骨梁的选择与墩身部分相同。

龙骨梁共设置4道,计算模型如图8。

刚度计算采用混凝土侧压力,侧压力的大小按照
rh 线形变化。

顶部荷载大小为0,底部荷载大小为F =γH =25kN/m 3
×2.95m =73.75kN/m 2。

墩帽变形云图如图9所示。

可知墩帽部分变形
很小,但考虑到墩帽的尺寸决定支撑垫石的位置,所以墩帽部分变形小比较合理。

图8　
墩帽计算模型
图9　墩帽变形云图
5结束语
(1)采用有限元软件M IDAS/civil 来设计桥墩
模板,不仅确定了模板面板区格大小和龙骨梁间距,而且通过对强度和刚度校核,表明该模板满足设计
要求。

(2)运用M IDAS/civil 软件对桥墩模板进行设计和有限元分析,与传统方法相比,提高了分析精度和设计质量。

参考文献
[1]江正荣.建筑施工计算手册[M ].北京:中国建筑工业出
版社,2001
[2]铁道第三勘察设计院.TB10002.1—2005铁路桥涵设计
基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005
Design of Formw ork for B ridge Piers B ased on MIDAS/Civil
Zhao Q inglong
(6th Engineering C o.Ltd.of the 11th Bureau G roup of the Railway Building C orporation of China ,X iangfan 441105,China )
Abstract :Upon t he basis of analyzing t he loads exerted on t he formwork of bridge piers ,t he design of t he formwork for bridge piers is performed wit h t he software of M IDAS/Civil in t he paper ,where t he modeling met hod of t he formwork for bridge piers is first int roduced ,t he size of t he f undamental
(下转第43页)
转入正常钻进,如此反复使钻孔顺利穿越溶洞。

对于特大型空溶洞或半充填的溶洞,为了防止孔壁坍塌,采用套筒隔离上部松软地层的方法进行处理,本桥钻孔桩均采用8～10m的钢护筒防止坍孔。

对于溶洞内充填物为软弱粘性土或淤泥的溶洞,进入溶洞后也应向孔内投入粘土、片石混合物(比例1∶1),冲砸固壁。

(4)钻头穿越溶洞时要密切注意大绳的情况,以便判断是否歪钻。

若歪钻应按1∶1的比例回填粘土和片石至弯孔处0.5m以上,重砸。

5裂隙漏浆的处理
灰岩地区裂隙发育,为防止漏浆,施工时应该作充分的准备:①入岩前,准备充足的水源和水泵。

②准备足够的粘土,并将粘土做成泥球( 15～20 cm)。

③准备一定数量的小片石或狗头石( 10～20 cm)。

密切注意护筒内泥浆面的变化情况。

当泥浆面迅速下降时,证明正在漏浆。

首先要赶快补水,然后将泥球往下投,即可将漏浆堵住。

之后将粘土和片石按大约1∶1的比例往下投约2m深,再重新开钻。

这样砸碎的片石和大颗粒土可将裂隙填充一定的距离(裂隙宽度变化),可钻进一定深度而不漏浆。

当再次漏浆时,仍按上述方法处理,即可逐步钻至设计孔底高程。

参考文献
[1]刘正峰.地基与基础工程新技术实用手册[M].北京:海
潮出版社,2000
[2]铁道部第三勘测设计院.桥梁地基和基础[M].修订版.
北京:中国铁道出版社,1991
[3]铁道部基建总局.铁路工程设计技术手册:桥梁地基与基
础[M].北京:人民铁道出版社,1978
[4]铁道部第三勘测设计院.铁路工程施工技术手册:桥涵
[M].北京:中国铁道出版社,1987
[5]罗邦富,魏明钟,沈祖炎,等.钢结构设计手册[M].北京:
中国建筑工业出版社,1988
K ey T echniques for the Construction of the Pile Foundation
for the Piers of the No.2Jinjiang B ridge at Lujia w an
G ao Junqing
(First Engineering Co.Ltd.,21st Engineering Bureau G roup,Railway Building Corporation of China,Urumqi830016,China)
Abstract:Since t he const ruction of t he pile foundation for t he piers of t he No.2Jinjiang Bridge of t he Yu2 Huai Railway at L ujiawan was performed during t he flood period,it was faced wit h a series of difficult p roblems,such as high water level,exploring left2over object s,karst caves,t he develop ment of crevice, drilling jam,etc.,to deal wit h which,adopted are t he following measures:a steel platform was erected wit h vertical steel po st s in combination wit h dual2walled steel cofferdam against t he high water level during t he flood period;t he direct washing and st riking met hod was used to deal wit h remaining object s;karst ca2 ves were t reated by means of grout2p roducing,co mplementing water,back2filling;and sealing leaks;t he leakage of grout f rom cracks was treated by means of complementing water,projecting soil balls,and cast2 ing ragstone.It has been proved in p ractice t hat t hose measures have resulted in fairly good effect s.The p roject may serve as a usef ul reference for ot her similar ones.
K ey w ords:pier;deep2water foundation;steel platform;bored pile;karst cave;crevice;flood period
(上接第33页)f rame is determined,spacing distances between t he skeleton beams and t he dimension of t he cro ss2section are analyzed,and finally,an integral model for bridge piers is established to analyze t he st rengt h and stiff ness of it so as to complete t he total design task.
K ey w ords:M IDAS/Civil;bridge pier;formwork;design
・实例分析・ 卢家湾锦江2号大桥水中桥墩基础汛期施工关键技术　高俊青 。